행렬(4) 케일리-해밀턴 정리




케일리-해밀턴 정리
Cayley-Hamilton theorem


"행렬의 거듭제곱을 아주 쉽게 구할 수 있어요"
" the easiest way
to find powers of a matrix "








케일리-해밀턴 정리가 표준 교과의 범위를 벗어난다는 이유로, 최근 들어서는 행렬의 거듭제곱유형의 문제들은, n 차 행렬을 n = 1 부터 하나씩 계산해 본 후, 규칙성을 찾아내는 방식으로  많이 출제되고 있습니다.


그럼에도 불구하고, 아직도 많은 기출문제 유형에서 행렬의 거듭제곱 계산을 편리하게 할 수 있도록 방법으로 케일리-해밀턴 정리가 활용되고 있습니다.              


이 원리를 이용한 유형은 대부분 곱셈공식이나 인수분해가 가능한 문제들로, 혼합 연계된 형태로 자주 출제되고 있고, 앞으로 배우게 될 역행렬의 연계형 문제에서도 자주 활용되니까, 확실하게 이해하고 외워 두는 것이 유리합니다.


현재 고 1부터는 이 [행렬] 단원을 개정된 표준교과에 따라, 배우지 않습니다만, 심화유형의 수열이나 벡터에서는 행렬의 기본개념이 필요하다는 점도 알아 두기 바랍니다.

이 [행렬] 단원은 구 고등과정 교과표준에 따라 (2×2) 행렬을 기준으로 설명합니다.

  




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행렬 A = [ a b ]  일 때, 아래의 식 값을 한 번 계산해 볼까요?
               [ c d ]


A2 – (a + d) A + (ad – bc) E


[ a b ] * [ a b ] – (a + d) [ a b ] + (ad – bc) [ 1 0 ]
[ c d ]   [ c d ]               [ c d ]                   [ 0 1 ]


= [ a2+bc  ab+bd ] – (a + d) [ a b ]  + (ad – bc) [ 1 0 ]
   [ ca+dc   cb+d2 ]              [ c d ]                    [ 0 1 ]


= [ a2+bc  ab+bd ] – [ a2+da  ab+db ] + [ ad–bc       0 ]
   [ ca+dc   cb+d2 ]   [ ac+dc   ad+d2 ]    [ 0       ad–bc ]


= [ a2+bc–a2–da+ad–bc      ab+bd–ab–db+0 ]
   [ ca+dc–ac–dc+0       cb+d2–ad–d2+ad–bc ]


= [ 0  0 ]
   [ 0  0 ]

 = O




위의 결과인 A2 – (a + d) A + (ad – bc) E = O 을 '케일리-해밀턴 정리' 라고 하고, 행렬의 거듭제곱 계산에서 매우 편리하게 활용됩니다.


* 참고로, 우리나라에서는 (2 x 2) 의 단위행렬을 ‘E’ 라고 표현하지만, 영미권 국가에서는 ‘I2‘ 라고 표현합니다.





예를 들어, 행렬 A = [ 1  2 ] 일 때, A4 의 값을 한번 계산해 볼까요?
                                [ 3  4 ]



케일리-해밀턴의 식, A2 – 5A – 2E = O 을 이용해서 아래와 같이 한 단계씩 차수를 낮추어 나가면 됩니다.


A4

= (A2)2

= (5A + 2E)2

= 25A2 + 20A + 4E

= 25(5A + 2E) + 20A + 4E

= 145A + 54E


= 145 * [ 1  2 ] + 54 * [ 1  0 ] 
           [ 3  4 ]           [ 0  1 ]

= [ 199   290 ]
   [ 435   634 ]





비슷한 연습 문제를 하나 더 풀어 볼까요?



A = [ 1  0 ] 라고 할 때, A4 – 2A3 + 3A2 + A 를 A 와 E 만으로 간단하게 표현하여라.
      [ 3  2 ]





(1) 우선, 케일리-해밀턴 정리를 이용하면, A2 = 3A – 2E 이니까, 이를 이용하면 차수를 하나씩 낮추어 나갈 수 있겠지요?


A4 – 2A3 + 3A2 + A

= (3A – 2E) 2 – 2A(3A – 2E) + 3(3A – 2E) + A

= 3A2 + 2A – 2E

= 3(3A – 2E) + 2A – 2E

= 11A – 8E





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이번에는, 삼차방정식 x3 = 1 의 성질과 매우 유사한, 행렬 방정식의 유형을 살펴 보도록 합니다.



여기서 잠깐, 가장 간단한 삼차방정식 x3 – 1 = 0 을 복습해 보도록 할까요?


(1) 우선, 삼차방정식의 좌변을 인수분해하는 것이 좋겠지요? 아래의 인수분해 공식에서 a 와 b 대신에 x 와 1 을 각각 대입하면,

a3 – b3 = (a – b)(a2 + ab + b2)

x3 – 1 = (x – 1)(x2 + x + 1)



이제, 삼차방정식의 좌변이 인수분해 되니까, 근의 공식을 이용해서 쉽게 해를 구할 수 있습니다.

x3 = 1

x3 – 1 = (x – 1)(x2 + x + 1) = 0

∴   (a)  x – 1 = 0    or    (b)  x2 + x + 1 = 0



(2) 따라서, (a) x – 1 = 0 식에서 실근인 x = 1 이 구해지고, (b) x2 + x + 1 = 0 에서 2 개의 허근을 합하여, 모두 세 개의 해를 구해낼 수 있습니다.


x = {–1+√(12 – 4)}/2 = (–1+√3i )/2 = ω

or

x = {–1–√(12 – 4)}/2 = (–1–√3i )/2 = ω* (ω bar)




(3) 이 때, ω 와 ω* 는 x3 – 1 = 0 이라는 삼차 방정식의 해이기도 하니까,

ω3 = (ω*)3 = 1





바로 이러한 원리로, x2 + x + 1 = 0 이라는 식이 주어졌다면, x3 = 1 도 성립합니다.

마찬가지로, x2 – x + 1 = 0 이라는 식이 주어졌다면, x3 = – 1 도 만족해야 합니다.

워낙 고등수학 전반에서 자주 등장하는 중요한 성질이니까, 반드시 외워두기 바랍니다.




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A 와 E 로만 이루어진 행렬식에서는, 실수에서 배운 곱셈공식과 인수분해 공식이 그대로 적용되니까, 위에서 복습했던 삼차방정식 x3 = 1 의 성질도 그대로 활용됩니다.


행렬에서는, 실수에서의 1 과 같은 곱셈의 항등원이 E 가 되니까, 위에서 복습했던 내용을 아래와 같이 행렬의 공식으로 바꿀 수 있습니다.





(1) if A2 + A + E = O,       then   A3 = E

(2) if A2 – A + E = O,     then   A3 = – E







자 그럼, 관련된 예제를 한 번 풀어 볼까요?




A = [  1    1 ] 라 할 때,
   [ –1   0 ]           

 A1000 + A999 + A998 + A997 를 구하여라.




(1) 우선, 케일리-해밀턴 정리를 적용하면, A2 – A + E = O 이니까,
 앞에서 공부하고 정리했던 대로 A3 = – E



(2) 대입해서 계산하면, A999 = (A3) 333 = – E 가 되니까, 준식에 대입하면,

A1000 + A999 + A998 + A997

= – A – E + A2 + A



(3) 그런데, A2 – A + E = O 라고 했으니까,

= – A – E + (A – E) + A

= A – 2E

   따라서, 답은  [ –1    1 ]
                        [ –1   –2 ]   





위의 공식들은 앞으로 배우게 될 역행렬에서도 자주 등장하는 매우 중요한 내용이니까, 확실하게 이해해 두고, 반드시 외워 두기 바랍니다.

케일리-해밀턴 정리의 역은 심화 개념이므로, 다음에 별도로 설명합니다.




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제곱근(5) 제곱근의 성질







제곱근의 성질
square root rules


"제곱근은 이차방정식을 향한 관문이예요"
" square root is a gateway to
solving quadratic equations "









원칙적으로 중 3 과정에서는 실수 범위 내에서의 제곱근 즉, 루트 기호 안의 부호가음 (–) 이 아닌 경우만을 배우고, 고 1 과정부터 비로소 음수 (–) 의 제곱근인 허수 즉, 복소수 범위까지 공부하는 것이 표준 교과입니다만,

중 3 과정이라 하더라도, 문자로 표시되는 일부의 심화수준의 문제에서는 실질적으로는 음수(–) 제곱근의 경우도 포함되는 경우가 있습니다.


상위권 학생이나 이과 지망생들의 경우에는, 중 3 과 고 1 과정의 중복 및 심화되는 내용에 대해서는 어느 정도의 선행학습도 불가피한 것이 현실이므로,

기초적인 수준에서 음수 (–) 의 제곱근인 허수 또는 복소수의 개념도 추가로 설명할 예정이니 기본적인 개념과 계산방법 등을 정확하게 이해해 두기 바랍니다.





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앞의 제곱근의 곱셈에서 이미 공부한 대로, (√3)2 = 3 이 됩니다. 문자로 일반화 시켜서 표현한다면, (√P)2 = P 가 되지요.

( √3 )2 = ( √3 ) * ( √3 ) = 3

( – √3 )2 = ( – √3 ) * ( – √3 ) = 3




* 참고로, 고등수학 과정인 허수 (복소수) 에 해당하지만, 위의 이 성질은 P 가 음수 (–) 인 경우에도 항상 성립합니다.

(√ – 3 )2

= (√ – 3 ) * (√ – 3 )

= (√ 3  * √ – 1 ) * (√ 3  * √ – 1 )

= (√ 3  * i ) * (√ 3  * i )

= √ 3  * √ 3  * i  * i  

= 3 * i 2

= – 3



∴  (√ P )2 = P for any real number P

e.g.

(√ – k )2 = – k






그렇다면, 모양이 조금 다른 √(P2) 은 어떻게 계산할 수 있을까요?


이 질문은 조금 어려운 문제이니까, P 가 (1) 양수 (+) 일 때와 (2) 음수 (–) 일 때로 나누어 살펴보기로 합니다.




(1) P 가 양수 (+) 일 때

예컨데, √(52) = 5

∴  √(P2) = P




(2) P 가 음수 (–) 일 때

예컨데, √{(–5)2} = √(25) = 5

= – ( – 5)

∴  √(P2) = – P





(3) 앞에서 배웠던 절대값의 성질과 똑같지요? 따라서, 표준수학에서는 아예 절대값으로 정의하고 있으니, 반드시 외워두기 바랍니다.


√(P2) = | P |

↱ = P      if P ≥ 0
↳ = – P   if P < 0






그러면, 공부한 내용을 문자로 일반화시켜서, 공식으로 정리해 두도록 할까요?



임의의 실수 P 에 대하여,
(1) (√P)2 = P

(2) √(P2) = | P |






따라서, 양(+)의 실수 A, B 에 대하여는 아래와 같은 규칙이 성립한다는 것을 알 수 있습니다.


√(A2 * B)

= √(A2) * √B
    (+)       .
= | A | * √B

= A√B



∴  √(A2 * B) = A√B  또는  A√B = √(A2 * B)






그러면, 관련된 연습문제들을 풀어 보도록 할까요?



아래의 식을 간단히 하여라.

√ 108  ÷ √ 18  x √ 200  ÷ √ 75 




우선, 주어진 식을 A√B 의 형태로 바꾸는 것이 좋겠지요?


√ 108  ÷ √ 18  * √ 200  ÷ √ 75 

= √(3 * 62) ÷ √(2 * 32) * √(2 * 102) ÷ √(3 * 52)

= 6√3 ÷ 3√2 * 10√2 ÷ 5√3

= (6√3 * 10√2) / (3√2 * 5√3)

= (6 * 10) / (3 * 5)

= 4








아래의 세 무리수 중에서 가장 작은 것을 찾아내라.

4√ 2 ,  3√ 3 ,  2√ 7 




(1) 우선, 주어진 수들을 같은 기준으로 비교하려면 √(A2 * B) 의 형태로 바꾸어야 하겠지요?


4√ 2  = √(42 * 2) = √ 32 

3√ 3  = √(32 * 3) =  √ 27 

2√ 7  = √(22 * 7) =  √ 28 



(2) 이제, 앞에서 배웠던 [ 양수(+) A, B 에 대하여 A = B 와 A2 = B2 은 동치 즉, 필요충분조건 ] 이라는 것을 이용하면 되겠지요?

27 < 28 < 32

∴  3√3 < 2√7 < 4√2






그러면, 이번에는 문자로 표현된, 조금 어려운 연습문제들을 풀어 보도록 할까요?



a < 0 이고, b < a 일 때, 아래의 식을 간단히 하여라.

√(9 * a2) + √{4 * (b – a2)} – √{( – a)2}





(1) 우선, √(P2) 의 형태로 바꾸어야 하겠지요?


√(9 * a2) + √{4 * (b – a2)} – √{( – a)2}

= √(3a)2 + √{2(b – a)}2 – √( – a)2




(2) 이제, √(P2) = | P | 를 이용한 다음, 각 항들의 부호를 살펴보면 됩니다.


.  (–)             (–)          (+)
= | 3a | + | 2(b – a) | – | – a |




(3) 마지막으로, 절대값 안의 부호에 따라 계산하면,


= – 3a – 2(b – a) – ( – a )

= – 3a – 2b + 2a + a

= – 2b






마지막으로 한 문제 더 풀어 보도록 할까요?



0 < a < 1일 때, 아래의 식을 간단히 하여라.

√{a + (1/a)}2 + {√(– a)}2 – √{a – (1/a)}2





(1) 우선, √(P2) = | P | 와 (√P)2 = P 를 이용하면 되겠지요?


√{a + (1/a)}2 + {√(– a)}2 – √{a – (1/a)}2

.  (+)                          (–)
= | a + (1/a) | + ( – a) – | a – (1/a) |




(2) 절대값 안의 부호에 따라, 간단히 하면,


= a + 1/a – a – ( – a + 1/a)

= a + 1/a – a + a – 1/a

= a






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두 직선의 위치관계 Solution 12131

Solution  1 2131 1. 각기둥의 높이     두 면(밑면)이 서로 평행하고 합동인 다각형으로 이루어진 입체도형을 각기둥이라고 합니다.      밑면이 삼각형이면 삼각기둥 이라고 하 고,  두 밑면 사이의 (최단)거리를 높이 라고 하지요....